CERN: Was ? Warum ? Wie ?. Was –Dienstleistungsbetrieb für Grundlagenforschung –Akademische...

CERN: Was ? Warum ? Wie ?

• Was – ‘Dienstleistungsbetrieb’ für Grundlagenforschung– Akademische Institution– Einige Zahlen

• Warum– Struktur der Materie– Fundamentale Gesetze der Physik– Grundlagenforschung als Motor der angewandter Forschung

• Wie– Beschleuniger – Detektoren

CERN: Was ? Warum ? Wie ?

• CERN-Mission, gemäss Konvention (Gründung im Jahre 1954)– Entwicklung, Bau, Betrieb von Grossanlagen (‘Beschleunigern’) für

Teilchenphysik– Beteiligung an der Forschung in der Teilchenphysik (Experimente und

Theorie an Beschleunigern und an Höhenstrahlung)– Koordination der europäischen Teilchenphysik

• Schwerpunkt (Personal, Budget) auf Beschleunigern– ~75 % des Personals im Beschleuniger/Verwaltungssektor– ~25 % des Personals im Forschungssektor

• Beschleuniger-Entwicklung, Bau– Wahl des Beschleunigers: bestimmt das Forschungsprogramm→– Wahl erfolgt in weltweiter Koordination der Physiker– Bau: überwiegend durch CERN-Personal in Zusammenarbeit mit

Industrie;

• Experimente– Durchführung hauptsächlich durch ‘auswertige’ Forschungsgruppen (~

85%); CERN-Physiker vorwiegend in Koordinationsfunktionen

CERN als Dienstleistungsbetrieb

CERN als ‘Akademische Institution’

• Ausbildung von Studenten– In Teilchenphysik

• Während LEP-Betriebes ca. 100 Dissertationen/ Jahr– In angewandter Physik und Ingenieurswissenschaften:

• ca. 30 Dissertationen/ Jahr• Im Vergleich : Physikfakultät der TU Wien: 50 Dissertationen/

Jahr

– CERN Summer School : Vorlesungen für 200 ‘Summer students’,• Diese Vorlesungen werden im Allgemeinen von Universitäten

anerkannt

• Weiter Aktivitäten:– CERN School of Particle Physics; hat Universitätscharakter;– 400 wissenschaftliche Publikationen/Jahr; Seminare; Konferenzen

CERN: einige Zahlen • Budget

– ~ 800 M Euro/ Jahr (2003)– Im Vergleich

• TU Wien : ~ 200 M Euro/Jahr• ETH Zürich : ~600 M Euro/Jahr

– CERN ≈ eine grössere europäische Universität• Personal

– 2350 CERN staff• Wissenschaftliche ‘Benützer’ der CERN Anlagen

– ca. 6000 Physiker• ca 70% aus den 20 Mitgliedsstaaten• ca 30 % aus ca 60 Nicht-Mitgliedsstaaten;

– Insbesondere: Canada, China, Indien, Israel, Japan, Russland, USA

– Neuere Kontakte mit Südamerika, arabische Länder • LHC Bau mit weltweiter Beteiligung: Prototyp eines ‘Welt-Labors’

Gegenwärtig baut CERN den Large Hadron Collider (LHC)

Welche Art von Forschung wird am CERN betrieben ?

Die Struktur der Materie: Was sind die fundamentalen Bausteine der Materie ?

Fundamentale Gesetze der Physik: Was sind die Grundgesetze der Physik welche die Wechselwirkung der fundamentalen Bausteine beschreiben ?

Mit der Entwicklung der Urknall Hypothese ist die Teilchenphysik (Wissenschaft der kleinsten Bausteine) grossteils mit der Kosmologie (Wissenschaft der Anfänge des Universums) verschmolzen.

Teilchenphysik ist ‘Reise zu dem Ursprung unserer Existenz’

Die Struktur der Materie ?

Warum braucht man riesige Beschleuniger um die kleinsten Bausteine der Materie zu untersuchen ?

Ein Digitalbild meiner Hand.

Ein Photon-Streuexperiment:

Das Licht der Lampe wird von der Hand verschiedenartig reflektiert und zeigt damit die Struktur der Hand.

Mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops kann man kleinere Strukturen auflösen, aber es gibt eine fundamentale Grenze:

Es können keine Strukturen aufgelöst werden die kleiner sind als die Wellenläge des Lichtes ! (ca. 1 tausendstel mm für sichtbares Licht).

Aus der Forschung der Chemie wusste man Ende des 19. Jh. dass es Grundstoffe gibt aus denen alle anderen aufgebaut sind.

Mendeleevs Periodensystem der chemischen Elemente

J.J. Thomson

Im Jahr 1899 entdeckte J.J. Tomson das Elektron (Beginn der Teilchenphysik) und formulierte das folgende Atommodell:

Die Materie besteht aus Atomen wobei die Elektronen in einer Kugel von positive Elektrizität eingebettet sind.

Der Beginn der Teilchenphysik

Ernest Rutherford

Wie kann man die Strukture der Atome ‘sehen’ ?

Rutherford: hochenergetische α-Teilchen, welche bei radioaktiven Zerfällen entstehen, durch eine dünne Goldfolie (1911). Aus dem ‘Muster’ der gestreuten Teilchen konnte er auf die Struktur der Atome schliessen !

radioactivesource

particles

target(very thin Gold foil)

fluorescent screen

Detector (human eye)

Atome (10-10 m) bestehen aus einem extrem kleinen Kern (10-15 m) um welchen die elektronen Kreisen.

Wie kann man die Strukture der Atome ‘sehen’ ?

Genau wie man aus dem gestreuten Licht einer Lampe die Struktur der Hand sieht kann man aus der Streuung hochenergetischer Teilchen die Struktur der Materie ‘sehen’.

Durch den allgemeinen Welle-Teilche Dualismus kann man einem Teilchen eine Wellenlänge zuorndnen λ=h/p. Höhere Teilchenenergie kleinere die Wellenlänge

Beschleuniger sind Supermikroskope !

Optisches Mikroskop

Sichtbares Licht

10-6m

Radioaktive Quelle

Alpha teilchen

10-14m

LEP Beschleuniger

Elektronen 10-20m

LHC Beschleuniger: 10-100mal kleinere Details !

Die Struktur der Materie ?

COMPASS Experiment am CERN

Die Struktur der Materie ?

1900 1911 1932 1967

Die fundamentalen Gesetze der Physik, Teilchen und ihre Wechselwirkungen

Bis zum Jahr 1930 kannte man 2 Elementarteilchen: Elektron, Proton

Bald darauf entdeckte man in hochenergetischen Teilchenkollisionen neue (meist sehr kurzlebige) Teilchen. Im Jahr 1960 kannte man schon über 100 solcher Teilchen (Teilchenzoo).

‘Bubble Chambers’ 70iger Jahre

e+ e-

Z0Masse = 0.5MeV Masse = 0.5MeV

Masse = 90 000 MeV

P=45 000 MeV/c P=45 000 MeV/c

E=mc2

e+, e- Kollisonen am Large Electron Positron Collider (1988-2000)

CERN ist eine ‘Teilchenfabrik’ – erhöht man die Energie des Beschleunigers dringt man in neue Bereiche der Teilchenwelt vor …

Aleph Experiment am LEP Simulation eines LHC events

Aus ca. 1 MillionMesspunkten

Entdeckung des Z Teilchens (1984)

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik:

1965

1974 1990 1978

19541960

1932 1976

2001

1976

1904

19841899

?????

Materie (+Antimaterie) Kräfte

Bei LEP (1988-2000) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden.

LEP 3 Teilchenfamilien

Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik:

Bei LEP mit 0.01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden.

Higgs Teilchen, verantworlich fuer die Masse der Quarks und Leptonen.

‘Muss bei LHC zu finden sein’

Teilchenphysik dominiert das Geschehen in den ersten Sekunden des Universums

Die grossen Fragen des 21. Jahrhunderts

• Woher kommt die Masse der Elemetarteilchen, Higgs Teilchen ?

• Am Anfang: Materie und Antimaterie demokratisch zu gleichen Teilen erzeugt→– Innerhalb der ersten Sekunde hat sich Materie und Antimaterie zerstrahlt, bis

auf 1 Teilchen in einer Milliarde→ was übergeblieben ist, wurde zu Sternen, Planeten, …Menschen → welcher Mechanismus hat diese Symmetrie so delikat verletzt, dass ein einziges Teilchen in einer Milliarde übrig blieb ? Diese Symmetrie-Verletzung ist Ursache für Materie, Steren, Leben

• Unser Universum expandiert immer schneller (vor 5 Jahren festgestellt)– Expansion ist ein Massstab der Gesamtmasse (Energie) im Universum– 5% der Masse des Universums ist uns bekannt in Form von Sternen– 25% der Masse ist in einer unbekannten Form, der ‘dunklen’ Masse→ woraus

besteht diese Masse ? Supersymmetrische Teilchen ?– 70% der Masse ist in Form einer unbekannten, ‘dunklen’ Energie→ wir haben

nicht die geringste Ahnung

• Zwei Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts– Quantenphysik, Relativitätstheorie können bei sehr hohen Temperaturen (am

frühen Beginn) nicht unabhängig von einander existieren → die vereinheitliche Beschreibung ist wahrscheinlich die grösste Herausforderung des 21. Jahrhunderts

Grundlagenforschung als Motor der Angewandten Forschung: Spin-Off

Anwendung der Beschleunigertechnik in der Medizin

Anwendung der Detektortechnologie in der Medizin (Medipix, Kristalle)

Entwicklung von Hochtechnologie für die Industrie

Entwicklung von Techniken zur Datenkommunikation (WWW am CERN erfunden !)

Zusätzlich zur Funktion als Ausbildungsort und Akademische Institution:

Der Beschleunigerkomplex des CERN

PS (1960)

SPS (1978)

ISR (1972)

LEP (1988-2000), LHC (ab 2007)

CNGs (ab 2006)

CNGS

CNGS

LHC: 27km supraleitender Magnete

Kühlung mit flüssigem Helium (-271.5 0C i.e. 1.7K)

LHC: 27km supraleitender Magnete

1200 Supraleitende Magneten11700 Ampere

Die 4 LHC Experimente

44 m Länge; 22 m DurchmesserBenützt den grössten supraleitenden Magneten der Welt100 Millionen Messkanäle

30 m Länge; 20 m DurchmesserBenützt einen der stärksten supraleitenden Gross-Magnete der Welt100 Millionen MesskanäleStarke österreichische Beteiligung: HEPHY

Das Leben eines LHC-Experimentes

• ‘Brainstorming’ Phase– Erste Ideen diskutiert ab 1990-1993– Prototypen-Kollaboration von einigen hundert Physikers– Erste Untersuchungen zur Machbarkeit der Messprinzipien– Erstes Dokument: ‘Expression of Interest’

• Konsolidations-Phase 1994-1996– Gruppierung in zwei Gross-Kollaboration mit mehr als 1000

Mitgliedern– Zwei relative verschiedene experimentelle Strategien auf ‘natürliche’

Weise ausgearbeitet– Arbeitsprogramm, Budgets ausgearbeitet

• Entwicklungspase 1997-2001• Konstruktionsphase 2002- 2006• Überraschung

– Technische Lösungen konnten gefunden werden– Komplexe Problematik der ‘Super-Kollaborationen’ (2000 Leute) hat

mehr Schwierigkeiten gebracht (unerwartet)

Concorde(15 Km)

Mt. Blanc(4.8 Km)

1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde 100 000 Milliarden Kollisionen pro Jahr

Darunter ca. 100 Higgs Teilchen erwartet

Nach Filterung, 100 interessante Kollisionen pro Sekunde aufgezeichnet

10 Megabyte digitisierte Daten pro Kollision: Schreibrate 1 Gigabyte/sec

10 Milliarden Kollisionen pro Jahr aufgezeichnetGespeicherte Daten 10 Petabytes/Jahr

GRID: Weiterentwicklung der Internet

CD stack with1 year LHC data!(~ 20 Km)

Balloon(30 Km)Daten der LHC Experimente

Zusammenfassung

CERN ist das weltgrösste Beschleunigerzentrum an dem Grundlagenforschung zu Fragen der Strukture der Materie und der fundamentalen Gesetzte der Physik untersucht werden.

In den letzten 50 Jahren hat sich CERN zu einem ‘Weltlabor’ entwickelt. Neben den 2400 Staff Angestellten betreiben ca. 6000 Wissenschafter aus aller Welt ihre Forschung am CERN.

CERN arbeitet mit einem Budget einer grossen Europaeischen Universität.

Neben dieser Forschung ist CERN eine wichtiger Generator von Spin-Off und fungiert als Ausbildungsstätte und Akademische Institution.

Der LHC Beschleuniger und die 4 Grossexperimente am LHC befinden sich im Bau und werden ab 2007 konkurrenzlos eine neue Domäne der Teilchenwelt eindringen.

Technologieentwicklung: Beispiel GRID

• Brauchen ~100 000 von den heutigen schnellsten PCs, um LHC Daten zu analysieren

• Lösung: Vernetzung von bisher isolierten Computer Zentren

• GRID: “seamless access” zu Rechnerkapazitäten und Datenspeicher Resourcen

Weiterentwicklung des Internet.

Example of antiproton annihilation at rest in a liquid hydrogen bubble chamber

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik:

Bei LEP (1988-2000) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden.

LEP 3 Teilchenfamilien

?????

Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.

Materie (+Antimaterie) Kräfte

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: